ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Спектральные и временные эффекты из "Нелинейная волоконная оптика " Как показано в разд. 4.1, зависимость фазы от времени проявляется в виде уширения спектра. Таким образом, спектр каждого импульса будет уширяться, в нем будет наблюдаться многопичковая структура, форма которой определяется относительным вкладом ФСМ и ФКМ. На рис. 7.10 показаны спектры двух импульсов для конкретного случая ууРуЬ = 40, = 0,5, Yj/Yi = 1 2, х = О, 5 = 5. [c.200] Отметим, что Av a, определяется длиной дисперсионного раз-бегания, а не фактической длиной световода L. Этого и следовало ожидать, так как взаимодействие за счет ФКМ возникает только тогда, когда импульсы перекрываются. [c.201] Можно понять физический смысл особенностей спектров сигнального излучения, рассмотрев сдвиг частоты, вызванный ФКМ (что изображено в правой колонке на рис. 7.11). При = 0. сдвиг частоты положителен вдоль всего сигнального импульса, и максимальное его значение возникает в центре импульса. В случае ФСМ, в отличие от этого (см. рис. 4.1), сдвиг частоты отрицателен вблизи пфеднего фронта, нулевой у центра импульса и положителен у заднего фронта. Разница для случаев ФСМ и ФКМ обусловлена расстройкой групповых скоростей. При Tj = О медленно движущийся сигнальный импульс взаимодействует в основном с задним фронтом импульса накачки. В результате индуцированный ФКМ сдвиг частогы положителен, спектр сигнального излучения имеет только компоненты, сдвинутые в коротковолновую область. При = 4 импульс накачки догоняет сигнальный импульс только в конце световода. Передний фронт импульса накачки взаимодействует с сигнальным импульсом поэтому сдвиг частоты отрицателен и спектр сдвигается в длинноволновую область. При Tj = 2 у импульса накачки есть время не только догнать сигнальный импульс, но и пройти сквозь него симметричным образом. Сдвиг частоты равен нулю в центре импульса. Его величина мала и внутри всего импульса. В результате спектр сигнала симметрично уширяется, но в крыльях заключена относительно малая доля энергии. В этом симметричном случае спектр сигнала сильно зависит от отношения L L . При = 1, если LjL = 2, спектр сигнального излучения шире и имеет более сложную структуру. С другой стороны, если L L ,, спектр сигнального излучения остается практически неизменным. [c.203] Уширение спектра, вызванное ФКМ, наблюдалось экспфимен-тально в конфигурации накачка-сигнал . В эксперименте [52] 10-пикосекундные импульсы накачки были полуены от лазера на центрах окраски, работающего на длине волны 1,51 мкм, в то время как сигнальные импульсы на длине волны 1,61 мкм генерировались в волоконном ВКР-лазере (см. разд. 8.2.2). Длина дисперсионного разбегания составляла 80 м, в то время как дисперсионная длина превышала 10 км. Наблюдались как симметричные, так и асимметричные спектры сигнального излучения, по мере того как длина световода возрастала с 50 до 400 м. Эффективная задержка между импульсами изменялась за счет расстройки резонатора волоконного ВКР-лазера. [c.203] До сих пор мы предполагали, что дисперсионная длина много больше длины световода L. В результате оба импульса сохраняли свою форму при распространении по световоду. Если становится сравнимой с L или с длиной дисперсионного разбегания L y, совместное действие ФКМ, ФСМ и дисперсии групповых скоростей может привести к качественно новым временным изменениям, которые сопровождают изменения в спектре, рассмотренные в разд. 7.4.1. [c.205] Можно исследовать эти временные изменения, численно решая уравнения (7.1.17) и (7.1.18). Здесь полезно ввести безразмерные переменные, как в разд. 4.2. [c.206] Потерями в световоде мы пренебрегли, полагая UjL 1 (/= 1 или 2). Второй член в уравнении (7.4.20) описывает расстройку групповых скоростей обоих импульсов. Выбор плюса или минуса зависит от знака параметра d, определенного в (7.4.3). [c.206] Для того чтобы выделить эффекты, связанные с ФКМ, полезно перейти к конфигурации накачка-сигнал . Предполагая U2 U в уравнениях (7.4.19) и (7.4.20) можно пренебречь членами, содержащими Тогда сигнал не воздействует на динамику импульса накачки, определяемую уравнением (7.4.19). Тем не менее импульс накачки значительно воздействует на динамику сигнала за счет ФКМ. Уравнение (7.4.20) описывает совместное действие эффектов ФКМ и дисперсии групповых скоростей на форму и спектр сигнального импульса. Эти уравнения можно решить численно, используя частично видоизмененный метод SSFM, описанный в разд. 2.4. [c.206] До сих пор в этой главе мы рассматривали ФКМ двух волн, распространяющихся в одном и том же направлении эти волны отличались друг от друга длинами волн или состояниями поляризации. Третий возможный случай когда две волны с одинаковыми частотами и состояниями поляризации распространяются по световоду в противоположных направлениях. Прямая и обратная волны будут взаимодействовать друг с другом за счет ФКМ. Такое взаимодействие может привести к качественно новым свойствам, проявляющимся в виде оптической бистабильности [63 66], когда волоконный световод используется для создания нелинейного кольцевого резонатора. Также это может привести к оптическим неустойчивостям и хаосу [67, 68]. Особый интерес представляет невзаимность, вызванная ФКМ она может воздействовать на работу волоконных гироскопов [69- 74] и волоконных ВКР-лазеров [75]. [c.209] ФКМ может стать значительным в зависимости от числа каналов. Оценки показывают, что Стф = 0,15 соотве гствует ухудшению чувствительности примерно на 0,5 дБ [80]. Из выражения (7.6.4) видно, что действие ФКМ на работу системы связи становится угрожающим только при М 20. [c.213] Это ограничение означает Р 1 мВт даже при М = 5. [c.213] Эффекты ФКМ наблюдались в эксперименте с двумя каналами [48]. Излучение от двух полупроводниковых лазеров, работающих на длинах волн вблизи 1,3 и 1,5 мкм, вводилось в 15-километровый отрезок одномодового световода. Сдвиг фазы излучения на длине волны 1,5 мкм, вызванный излучением на 1,3 мкм, измерялся при помощи интерферометра. При Р= 1 мВт был экспериментально зарегистрирован сдвиг фазы Дф = 0,024. Это значение находится в хорошем согласии с величиной 0,022, которая следует из (7.6.5). [c.213] Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР)-нелинейный процесс, который позволяет использовать световоды в качестве широкополосных ВКР-усилителей и перестраиваемых ВКР-лазеров. Но, с другой стороны, этот же процесс может резко ограничить характеристики многоканальных оптических линий связи из-за переноса энергии из одного канала в соседние каналы. В этой главе рассматриваются как применения ВКР, так и паразитные эффекты, связанные с ним. В разд. 8.1 представлены основы теории комбинационного рассеяния, причем подробно обсуждается понятие порога ВКР. В разд. 8.2 рассмотрено ВКР непрерывного или квазинепрерывного излучения. Там же обсуждаются характеристики волоконных ВКР-лазеров и усилителей и рассматриваются перекрестные помехи в многоканальных оптических линиях связи, обусловленные ВКР. ВКР сверхкоротких импульсов (СКИ), возникающее при импульсах накачки длительностью менее 100 пс, рассмотрено в разд. 8.3 и 8.4. В разд. 8.3 рассматривается случай положительной дисперсии групповых скоростей, а разд. 8.4 посвящен изучению солитонных эффектов при ВКР, возникающем в области отрицательной дисперсии групповых скоростей волоконного световода. Особое внимание уделено совместному действию дисперсионного уширения импульса с фазовой самомодуляцией (ФСМ) и фазовой кросс-модуляцией (ФКМ). [c.216] При спонтанном комбинационном рассеянии во многих средах небольшая часть (обычно 10 ) мощности излучения накачки преобразуется в излучение с более низкой частотой, причем величина частотного сдвига определяется колебательными модами среды. Этот процесс, называемый также эффектом Рамана [1], в квантовой механике описывается как рассеяние фогона на молекуле, в процессе которого молекула совершает переход между колебательными состояниями, а частота фотона уменьшается. Исходное излучение служит накачкой для генерации излучения на смещенной частоте. [c.216] Самое существенное свойство комбинационного усиления в световодах из плавленого кварца большой частотный диапазон (до 40 ТГц) с широким максимумом усиления возле 13 ТГц. Такое поведение связано с некристаллической природой стекла. В аморфных материалах, таких, как плавленый кварц, полосы частот молекулярных колебаний перекрываются и создают континуум [12]. В результате комбинационное усиление в кварцевых световодах существует в широком диапазоне частот в отличие от большинства сред, где оно возникает на специфических, вполне определенных частотах. Благодаря этому свойству световоды могут действовать как широкополосные усилители, о чем будет сказано ниже. [c.218] Чтобы увидеть, как возникает процесс ВКР, рассмотрим непрерывное излучение накачки на частоте tOp, распространяющееся в световоде. Если пробное излучение на частоте ш,, перекрывается с накачкой на входе световода, оно будет усиливаться за счет ВКР, пока разница частот — со лежит внутри комбинационной полосы усиления (см. рис. 8.1). Если в световод вводится только излучение накачки, спонтанное К дает слабый сигнал, который действует как пробный и усиливается по мере распространения. Поскольку КР генерирует фотоны на всех частотах внутри полосы усиления, усиливаются все частотные компоненты. Однако частотная компонента, для которой коэффициент максимален, возрастает быстрее всего. В случае чистого плавленого кварца Ук максимален для частоты, смещенной от частоты накачки приблизительно на 13.2 ТГц (440 см ). Оказывается, когда мощность накачки превышает пороговое значение [13], эта компонента усиливается почти экспоненциально. Таким образом, ВКР приводит к генерации стоксовой волны, частота которой определяется пиком комбинащюнного усиления. Соответствующее смещение частоты называют иногда стоксовым (или рамановским) частотным сдвигом. [c.218] Это уравнение означает, что общее число фотонов при ВКР остается постоянным. [c.219] Вернуться к основной статье